一种基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅

摘要

一种基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅，涉及一种用于1053纳米飞秒激光脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅。本发明的高反射膜的厚度采用非规整结构，当光栅的周期为1480线/mm，刻蚀深度为400纳米，剩余膜层的厚度为200纳米，占空比为0.2，入射角度为58°时，本发明的宽带金属介质膜光栅对于中心波长为1053纳米的TE波，-1级衍射效率在980nm-1140nm范围优于97％的有效工作带宽达160nm。本发明光栅可由光学全息和离子束刻蚀工艺加工而成，本发明对于提高啁啾脉冲放大系统性能具有重要的应用价值。

权利要求

1.一种基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于：该宽光谱金属介质膜光栅从下至上依次包括基底（7）、金属Cr膜（6）、金属Ag膜（5）、TiO2介质膜（4）、SiO2介质膜（3）、剩余膜层（2）和表面光栅结构（1）；所述的金属Ag膜（5）、TiO2介质膜（4）和SiO2介质膜（3）组成高反射膜（8）；所述的剩余膜层（2）和表面光栅结构均为HfO2材料；光栅的周期为1480线/mm，刻蚀深度为400纳米，剩余膜层的厚度为200纳米，占空比为0.2，入射角度为58°，入射光的偏振态为TE模式；金属介质膜光栅对于中心波长为1053纳米的TE波，-1级衍射效率优于97%的有效光谱范围为160nm；

所述的高反射膜采用非规整结构，其结构为G/CrAgTL，其中G是基底，T代表TiO2介质膜，L代表SiO2介质膜，金属Cr膜的厚度为67nm，金属Ag膜的厚度为87.5nm，TiO2介质膜的厚度为171nm，SiO2介质膜的厚度为111nm。

说明书

一种基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于飞秒激光脉冲放大系统的金属介质膜光栅，尤其涉及一种用于1053纳米飞秒激光脉冲放大系统的基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅，属于衍射光栅技术领域。

背景技术

[0002] 随着激光技术的发展和应用需求，高峰值、超短激光脉冲的获得逐渐成为探索光与物质相互作用的重要手段，啁啾脉冲放大系统(Chirped-Pulse Amplification，CPA)在高峰值超短脉冲的获得过程中起着决定性的作用，作为CPA系统核心元件的脉宽压缩光栅(Pulse Compression Grating，PCG)应有具有尽可能高的衍射效率、抗激光损伤阈值和光谱范围。

[0003] 多层介质膜脉宽压缩光栅(Multi-layer Dielectric Grating，MDG)由于具有高衍射效率、设计灵活，高损伤阈值等优点而得到重点研究和广泛应用。

[0004] 然而随着膜堆内膜层数的增加光栅内部应力也相应的增大，使光栅极易受到物理性损伤，造成光栅的衍射性能不够稳定。

[0005] 超短激光脉冲由于色散作用，要求脉宽压缩光栅具有更宽的光谱范围，MDG已经无法满足超短激光脉冲的带宽需求。

[0006] 金属介质膜光栅(Metal Multilayer Dielectric Grating，MMDG)则可以结合金属的宽带性能和介质膜光栅的高衍射性能，使其具有纯介质膜光栅无法达到的带宽，也具有金属膜光栅无法实现的高衍射效率。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅，即采用金属膜和介质膜相结合的方式，在保证宽的光谱范围内具有高反射率，使其在1053纳米的TE模式使用条件下，实现宽光谱高衍射效率；进一步降低介质膜层的数目，进而减小膜堆内部的应力，使光栅具有更稳定的性能。

[0008] 本发明的技术方案如下：

[0009] 一种基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于：该宽光谱金属介质膜光栅包括基底、金属Cr膜、金属Ag膜、高折射率TiO2介质膜、低折射率SiO2介质膜、剩余膜层和表面光栅结构；所述的金属Ag膜、TiO2介质膜和SiO2介质膜组成高反射膜；所述的剩余膜层和表面光栅结构均为HfO2材料；光栅的周期为1480线/mm，刻蚀深度为400纳米，剩余膜层的厚度为200纳米，占空比为0.2，入射角度为58°，入射光的偏振态为TE模式。

[0010] 本发明所述的高反射膜采用非规整结构，其中金属Ag膜的厚度为87.5nm，TiO2介质膜的厚度为171nm，SiO2介质膜的厚度为111nm。

[0011] 本发明提供的基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅对于中心波长为1053纳米的TE波，-1级衍射效率在980nm-1140nm范围优于97％，有效带宽达160nm。在表面结构光栅和金属介质反射膜之间引入剩余膜层，这层膜是顶层HfO2刻蚀后的剩余膜层，其作用是可以有效调节光栅的结构参数，平衡周期、占空比以及膜层结构的综合特性。同时也为了确保光栅-1级高衍射效率条件的满足。

附图说明

[0012] 图1为本发明的基于非规整膜层结构的宽光谱金属介质膜光栅的结构图。

[0013] 图2为本发明宽光谱脉宽压缩光栅用金属反射膜光谱特性曲线。

[0014] 图3为本发明宽光谱金属介质光栅光谱特性曲线。

[0015] 1-表面光栅结构；2-剩余膜层；3-低折射率SiO2介质膜；4-高折射率TiO2介质膜；5-金属Ag膜层；6-金属Cr膜；7-基底；8-高反射膜。具体实施方式：

[0016] 本发明提出的宽光谱金属介质膜光栅结构如图1所示，该宽光谱金属介质膜光栅从下至上依次包括基底7、金属Cr膜6、金属Ag膜5、高折射率TiO2介质膜4、低折射率SiO2介质膜3、剩余膜层2和表面光栅结构1；所述的金属Ag膜5、高折射率TiO2介质膜4和低折射率SiO2介质膜3组成高反射膜8；所述的剩余膜层2和表面光栅结构均为HfO2材料。

[0017] 金属Ag膜、高折射率TiO2介质膜和低折射率SiO2介质膜组成的高反射膜可以在足够宽的光谱范围内提供高的反射率，以保证入射光可以被全部反射衍射。光栅采用亚波长(光栅的周期小于入射波长)结构，以保证光栅反射衍射后只有0级和-1级，进而实现高衍射效率。为了保证衍射后的光不与入射光重合，易选用大角度入射形式。

[0018] 下面以中心波长为1053纳米的宽光谱金属介质膜光栅为例说明本发明的主要内容。考虑到光栅的制备工艺和使用条件，选取光栅的周期为1480线/mm，光栅入射偏振态为TE模式；刻蚀深度为400纳米，剩余膜层的厚度为200纳米，占空比为0.2，入射角度为58°。

[0019] 高反射膜采用非规整结构(膜层厚度为非四分之一波长)，充分利用了金属的宽光谱和介质膜的高反射特性，其结构为G/CrAgTL，其中G是基底，金属Cr膜的厚度为67nm，金属Ag膜层的厚度为87.5nm，T代表的高折射率TiO2膜的厚度为171nm，L代表的低折射率SiO2膜的厚度为111nm。由金属膜和介质膜层所组成的反射光谱曲线如图2所示。

[0020] 本设计中光栅的槽深变化范围为10-500nm，剩余膜层的厚度变化范围为1-300nm，占空比的变化范围为0.2-0.5，入射角的变化范围为40°-60°。

[0021] 利用严格耦合波理论对光栅的结构进行优化设计，得到光谱带宽为160nm时光栅对应的刻蚀深度、剩余膜层的厚度、占空比和入射角分别为400nm，200nm，0.2，58°。

[0022] 图3为上述优化后所对应结构参数下光栅反射-1级衍射效率随波长的变化关系。由光谱曲线可以看出在980nm-1150nm范围内衍射效率均在97％以上，考虑到衍射角和入射角需要有一定角度的分离，将最大的高衍射效率波长选择为1140nm，根据光栅方程的分析可以得到此时衍射光与入射光有1°的角度分开，因此当入射波长在980nm-1140nm范围内入射光线对衍射光线不会产生影响。

[0023] 综合以上分析和实例说明，本发明提出的基于非规模膜层结构的金属介质膜来拓宽光谱范围光栅结构和优化设计方法是正确的。本发明基于非规整膜层结构设计的金属介质膜光栅对于中心波长为1053纳米的TE波，-1级衍射效率优于97％的有效光谱范围达到160nm。